CN101782513A - 直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接测量气体吸收谱形的方法，属于气体检测领域。所述方法为对由同一激光分出的两束光经两个不同光路，由两个光探测器再对激光信号分别进行检测，产生的电信号经过预放电路进行放大。其中一路激光信号经过了被测气体的吸收，另外一路信号可经过已知浓度的气体吸收或者没经过气体吸收。两路探测器的信号经过除法器后，直接反映了气体吸收强度。如果再经过对数器，可以直接得到吸收系数。本发明的检测方法在数据被采集前直接将这些噪声在电路上消除掉，使得后续数据采集电路采集到的信号直接和气体吸收谱形成比例。简化了数据处理的过程，提高了检测精度。此外，本发明还公开了一种直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体测量方法，特别是涉及一种直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路及检测方法。
背景技术
在大气监测以及各种工业过程监控中，利用不同气体的特征吸收波长各异的特点，可调谐激光吸收光谱方法越来越被重视。这种利用气体特征吸收线的激光检测法有灵敏度高、选择性强、免维护以及使用寿命长等一系列优点，是最近十多年来发展迅速的一项新兴的气体检测技术。其良好的技术发展前景日益受到国内外相关领域的研究者和使用者的广泛重视。利用气体的特征吸收线进行稳频的激光器可以作为标准波长激光器。
采用可调谐激光吸收光谱技术研究气体吸收时，现在大多采用体积小、控制方便、价格便宜的半导体激光器。调谐半导体激光器时，在激光器波长被调谐的同时，半导体激光器的输出强度一样被调制。这种被调制的强度被称为残余幅度噪声(RAM)，在谐波检测方法中，残余幅度噪声作为主要背景信号噪声严重限制了测量精度。而且半导体激光器本身的功率-电流输出特性往往会出现扭折，即非线性，这种非线性同样会成为检测的一种噪声。在现在通用的方法中，大都是在数据采集电路将数据采集后，利用单片机或计算机进行数据处理的办法来消除这些噪声的影响。
发明内容
本发明的检测方法在数据被采集前直接将这些噪声在电路上消除掉，使得后续数据采集电路采集到的信号直接和气体吸收谱形成比例。
所述技术方案如下：
本发明的一种直接测量气体吸收谱形的检测方法，所述方法包括下列步骤：
步骤A：由同一激光分出两束光并经两个不同光路，其中一路经过待测气体吸收后由光探测器进行检测，另一路不经过任何气体进行吸收或经过已知气体吸收后由另一光探测器进行检测；
步骤B：将两个光探测器输出的电流信号分别进行放大处理；
步骤C：对经过放大处理后的输出结果进行除法运算，其线性输出直接反映待测气体的吸收强度谱形。
本发明的直接测量气体吸收谱形的检测方法，所述步骤C具体为，将经过放大处理的两个输出结果输入除法器中进行相除运算。
本发明的直接测量气体吸收谱形的检测方法，所述步骤C还包括，对除法运算的结果进行对数运算，其运算结果直接反映待测气体的吸收系数谱形。
本发明的直接测量气体吸收谱形的检测方法，在所述步骤B中，还包括通过调节两个光探测器输出的电流信号放大系数来调整输出信号。
本发明还提供了一种直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路，所述平衡检测电路包括第一放大电路和第二放大电路，两个放大电路分别与除法器相连接，在除法器的输出端连接有对数器；所述第一放大电路的输入端与第一光探测器相连接，所述第二放大电路的输入端与第二光探测器相连接。
本发明的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路中，所述第一光探测器与所述第二光探测器是同类探测器，其响应波长由待测气体决定。
本发明的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路中，所述第一放大电路和第二放大电路可以分别对第一光探测器和所述第二光探测器输入的电信号提供不同的放大系数。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明的检测方法在数据被采集前直接将这些噪声在电路上消除掉，使得后续数据采集电路采集到的信号直接和气体吸收谱形成比例。简化了数据处理的过程，提高了检测精度。
附图说明
图1是本发明提供的一种直接测量气体吸收谱形的检测方法的流程图；
图2是本发明提供的一种直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明的目的为了消除在用可调谐半导体激光吸收光谱方法检测气体浓度时，由半导体激光器的电流调制或其功率-电流输出非线性造成的残余幅度噪声。
为此，本发明直接测量气体吸收谱形的方法提出了一种平衡检测电路，利用该电路将由同一激光分出两束激光信号，其中一路经过气体吸收的激光信号和另一路激光器直接输出的信号分别进行放大后，将二者比较相除，其除法器得到的信号是和气体吸收谱形直接相关的信号，此时由于半导体激光器本身强度变化产生的噪声分量将被很大程度上被抵消。如果将除法器的信号进一步经过对数器，则最终的对数输出结果将是和吸收强度、气体浓度、吸收长度成比例的信号。
利用本发明的直接测量气体吸收谱形的方法进行测量的基本步骤如下：
步骤101：由同一激光发生装置发出的两束激光信号，其中一路激光信号经过待测气体进行吸收后入射至光探测器B，并产生电流iB，而另一路激光信号作为参考光不经任何气体进行吸收或经过已知浓度和吸收长度的气体进行吸收后入射至光探测器A，并产生电流iA。
根据气体分子的选择性吸收理论，由比尔-郎伯定律，波长为λ的光通过吸收长度为L的气体吸收后，出射光强IB(λ，t)为：
IB(λ，t)＝IO(λ，t)CB(λ)exp(-α(λ)cL)
其中IO(λ，t)是激光器入射进气体的光强，α(λ)是气体吸收系数，c是气体浓度，CB(λ)是考虑了测量光路各种光损耗的总耦合吸收。
假设入射到光探测器A的光强为IA(λ，t)，则
IA(λ，t)＝IO(λ，t)CA(λ)
其中是CA(λ)是考虑了参考光路各种光损耗的总耦合吸收。
假设两个探测器的响应度分别为DA(λ)和DB(λ)，则经过两个探测器产生的电流分别为：
iB(λ，t)IB＝(λ，t)×DB(λ)＝IO(λ，t)CB(λ)DB(λ)exp(-α(λ)cL
iA(λ，t)＝IA(λ，t)×DA(λ)＝IO(λ，t)CA(λ)DA(λ)
两个光探测器是特性相近的同类探测器，其响应波长由被检测气体决定。
为方便测量，也可以利用一台本身带有背光探测器的半导体激光器作为激光发生装置，该背光探测器输出的电流信号即为iA，而从激光器发出的激光信号经过被测气体进行吸收后入射至光探测器B，并产生电流iB。
还可以由一台半导体激光器输出激光后经光纤分路器经一束激光分为两路。其中一路激光信号经过被测气体进行吸收后入射至光探测器B，并产生电流iB，而另一路激光信号不经任何气体进行吸收或经过已知浓度的气体进行吸收后入射至光探测器A，并产生电流iA。
步骤102：分别将由光探测器A输出的电流iA和由光探测器B输出的电流iB输入放大电路进行放大。其两个放大电路的放大系数分别为GB和GA，得到放大后的信号VA和VB。在该步骤中可以根据光路损耗不同分别调节放大电路的放大系数，进而通过调节电流的方式对半导体激光器的输出波长进行调节。
假设两个放大电路的放大系数分别为GB和GA，则进入除法器的两路信号分别为：
VB(λ，t)＝iB(λ，t)×GB＝IO(λ，t)CB(λ)DB(λ)GBexp(-α(λ))cL
VA(λ，t)＝iA(λ，t)×GA＝IO(λ，t)GA(λ)DA(λ)GA
步骤103：将经过放大的两路信号VA和VB输入除法器进行除法运算，得到待测气体的强度吸收谱。
经过除法器后，得到的信号为：
S(λ，t）＝VA(λ,t）/VB(λ,t)
＝CA(λ)DA(λ)GA/[CB(λ)DB(λ)GBexp(-α(λ)cL)]
一般来讲，由于所使用的光谱范围很窄，光路上的损耗和探测器的响应度基本和波长无关，这样上式可以简化为：
S(λ，t)＝C/exp(-α(λ)cL)
其中系数C是个常数，并且可以通过两个预放电路的放大系数进行调节以得到最好的信号.由上式可知，S(λ，t)即直接反映气体的强度吸收谱。
步骤104：对上一步骤除法运算结果取对数，其结果直接输出反应待测气体吸收系数的波形。
如果对步骤103输出的结果之后再加一个对数器，对上式两端取对数，则最后对数输出为：
ln[S(λ，t)]＝ln(C)-α(λ)cL
由以上可以看到，如果通过调节电流的方式对半导体激光器的输出波长进行扫描，本发明电路的最终对数输出将直接反映气体吸收系数的谱形。
为实现本发明提出的直接测量气体吸收谱形的方法，本发明还提出了一种直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路。如图2所示，本发明的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路包括放大电路1和放大电路2，两个放大电路分别与除法器5相连接，在除法器的输出端连接有对数器6。
图1所示为平衡检测电路原理图。光探测器A1和光探测器B2分别检测参考光和经过气体吸收的信号光。参考光经过放大电路3和对信号进行放大，信号光经过放大电路4进行放大。经过放大的信号输入除法器5进行除法运算，此时得到的信号可以由输出口8输出到信号处理电路或者数据采集电路。也可以根据需要从连接在除法器5前端的对数器6输出口7采集信号。由于光路损耗不同，为了防止两路探测器产生信号差别太大，保持两路信号保持在容易处理的相近水平，可以调节放大电路3和4的放大系数。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种直接测量气体吸收谱形的检测方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
步骤A：由同一激光分出两束光并经两个不同光路，其中一路经过待测气体吸收后由光探测器进行检测，另一路不经过任何气体进行吸收或经过已知气体吸收后由另一光探测器进行检测；
步骤B：将两个光探测器输出的电流信号分别进行放大处理；
步骤C：对经过放大处理后的输出结果进行除法运算，其输出直接反映待测气体的吸收强度谱形。
2.根据权利要求1所述的直接测量气体吸收谱形的检测方法，其特征在于，所述步骤C具体为，将经过放大处理的两个输出结果输入除法器中进行相除运算。
3.根据权利要求1所述的直接测量气体吸收谱形的检测方法，其特征在于，所述步骤C还包括，对除法运算的结果进行对数运算，其运算结果直接反映待测气体的吸收系数谱形。
4.根据权利要求1所述的直接测量气体吸收谱形的检测方法，其特征在于，在所述步骤B中，还包括通过调节两个光探测器输出的电流信号放大系数来调整输出信号。
5.一种实现权利要求1所述的直接测量气体吸收谱形的检测方法的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路，其特征在于，所述平衡检测电路包括第一放大电路和第二放大电路；所述第一放大电路的输入端与第一光探测器相连接，所述第二放大电路的输入端与第二光探测器相连接；两个放大电路分别与除法器相连接，在除法器的输出端连接有对数器。
6.根据权利要求5所述的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路，其特征在于，所述第一光探测器与所述第二光探测器是同类探测器，其响应波长由待测气体决定。
7.根据权利要求5所述的直接测量气体吸收谱形的平衡检测电路，其特征在于，所述第一放大电路和第二放大电路可以分别对第一光探测器和所述第二光探测器输入的电信号提供不同的放大系数。
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